潘愛(ài)瓊, 張志永

(鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

在以散裝方式儲(chǔ)藏糧食的高大平倉(cāng)房或圓頂倉(cāng)房里，糧食因儲(chǔ)藏不當(dāng)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)霉變、結(jié)塊等現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因儲(chǔ)藏不當(dāng)而產(chǎn)生的糧食浪費(fèi)占糧食總產(chǎn)量的8%。翻糧機(jī)是一種新型糧食倉(cāng)儲(chǔ)翻倉(cāng)設(shè)備，可在一定范圍內(nèi)上下翻倒糧食，增強(qiáng)糧堆的通風(fēng)狀態(tài)，提高糧層的疏松度和通透性，減小糧堆上下層的潮濕程度和溫差，消除糧堆內(nèi)的起熱點(diǎn)，大大增強(qiáng)儲(chǔ)糧的穩(wěn)定性[1]。

我國(guó)現(xiàn)有翻糧機(jī)一般由轉(zhuǎn)向扶手、電機(jī)直聯(lián)斜齒輪減速機(jī)、船式錐體、排糧口和舵板自動(dòng)控制器等構(gòu)成，在翻糧過(guò)程中需要人工推動(dòng)把手轉(zhuǎn)向，屬于半自動(dòng)化設(shè)備。以翻糧機(jī)在平糧面上3.0 m/min、在扒溝糧面上 V形溝內(nèi)2.59 m/min的行走速度為例，一棟長(zhǎng)寬規(guī)格為20 m×60 m的糧倉(cāng)需要6～7 h不間斷工作，才可以完成糧面翻倒作業(yè)，與純?nèi)斯ぜZ面扒溝方式相比，工作效率雖大大提高，但仍需要扶翻糧機(jī)把手的工人長(zhǎng)時(shí)間工作。在這種環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間工作人員容易吸入較多粉塵，且在較大翻倉(cāng)深度時(shí)扶把轉(zhuǎn)向的勞動(dòng)強(qiáng)度較大。本文基于Solidworks設(shè)計(jì)一款便捷的履帶式翻糧機(jī)，通過(guò)對(duì)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、翻糧機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到自動(dòng)翻糧的目的。

1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻糧機(jī)需要在糧倉(cāng)內(nèi)行走，工作環(huán)境復(fù)雜，容易受到灰塵、糧食和瞬時(shí)過(guò)載等因素的影響。在翻糧機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪的方式。鏈傳動(dòng)能夠減少打滑，保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高、徑向壓力小、機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊，且在高溫、潮濕等惡劣環(huán)境下能夠很好地工作，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。翻糧機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1．軸承座；2.鏈輪；3.驅(qū)動(dòng)軸；4.滾子鏈；5.行走電機(jī)；6.行走電機(jī)；7.滾子鏈；8.離合器；9.驅(qū)動(dòng)軸；10.鏈輪圖1 翻糧機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

行走電機(jī)5和6通過(guò)滾子鏈4和7傳動(dòng)，分別將動(dòng)力傳遞到兩個(gè)鏈輪2和10上。鏈輪通過(guò)鍵固定在兩根驅(qū)動(dòng)軸3和9上，由驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪。當(dāng)電磁離合器8閉合時(shí)，兩根驅(qū)動(dòng)軸會(huì)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了翻糧機(jī)在前進(jìn)或后退時(shí)的偏轉(zhuǎn)、傾倒；當(dāng)電磁離合器斷開(kāi)時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)軸分離，只要合理控制兩個(gè)行走電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)翻糧機(jī)的自動(dòng)平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎。

2 履帶式翻糧機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻糧機(jī)常用的行走方式有多種，如：①依靠船式箱體的浮力和向后排糧的反作用力，推動(dòng)翻糧機(jī)向前行走；②輪式行走方式；③履帶式行走方式。與前兩種行走方式相比，履帶式行走方式在松軟的糧面上支撐面積大、運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)[2]。履帶式行走機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、承重輪、支撐輪和履帶組成(圖2)。

1.張緊輪；2.履帶；3.支撐輪；4.驅(qū)動(dòng)輪；5.承重輪圖2 翻糧機(jī)的行走機(jī)構(gòu)

翻糧機(jī)兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、承重輪和支承輪安裝在機(jī)架的底座上，橡膠履帶環(huán)繞兩側(cè)各輪用以支撐翻糧機(jī)在糧面上行走。張緊輪軸末端與機(jī)架、加強(qiáng)板內(nèi)的矩形孔形成滑動(dòng)副。張緊輪軸的位置可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)，從而調(diào)整履帶的張緊度，防止履帶在工作時(shí)的橫向滑動(dòng)和振跳。

翻糧機(jī)在糧倉(cāng)內(nèi)工作環(huán)境惡劣、行走的路況復(fù)雜；流動(dòng)的糧食很容易進(jìn)入履帶和履帶輪嚙合區(qū)，被碾碎，且當(dāng)糧食在嚙合區(qū)累積到一定程度時(shí)，會(huì)擠壓履帶而導(dǎo)致履帶變形或脫落，影響翻糧機(jī)正常行走。為了避免這種情況發(fā)生，本文設(shè)計(jì)一種密封裝置，以避免糧粒進(jìn)入嚙合區(qū)。該密封裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.履帶；2.驅(qū)動(dòng)輪；3.密封板；4.驅(qū)動(dòng)輪軸；5.從動(dòng)輪；6.從動(dòng)輪軸；7. 密封板圖3 密封裝置的結(jié)構(gòu)

在翻糧機(jī)兩側(cè)安裝兩個(gè)密封板，使嚙合區(qū)形成一個(gè)密封區(qū)[3]。履帶內(nèi)表面有密封槽，密封板邊緣與履帶內(nèi)密封槽契合，并通過(guò)安裝孔固定在驅(qū)動(dòng)輪軸和從動(dòng)輪軸上。以剖面顯示的履帶內(nèi)表面密封槽如圖4所示。

圖4 以剖面顯示的履帶內(nèi)表面密封槽

3 翻糧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用絞龍機(jī)構(gòu)(圖5)作為履帶式翻糧機(jī)的翻糧機(jī)構(gòu)。主要工作部件是螺旋葉片。根據(jù)形狀不同，可將螺旋葉片分為實(shí)體型、葉片烈、帶型和爪型等。由于實(shí)體型葉片具有速度快、輸送力和輸送量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于運(yùn)送干的、不粘結(jié)的小顆粒物料和粉狀物料，故本文采用的是實(shí)體型葉片。

圖5 履帶式翻糧機(jī)的絞龍機(jī)構(gòu)

3.1 螺旋直徑的計(jì)算

(1)

式中：K為特性參數(shù)，取0.049；Q為最大翻倒能力，取2 t/h；ψ為填充特性系數(shù)，取0.3；ρ為物料填充密度，在物料為玉米時(shí)取0.75 t/m3；ε為傾斜系數(shù)，取0.46。計(jì)算可得：D=0.215 4 m≈215 mm。查閱標(biāo)準(zhǔn)螺旋直徑表(150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm)，應(yīng)當(dāng)取螺旋直徑200 mm。

3.2 螺距的計(jì)算

糧食上下翻倒過(guò)程能否順利進(jìn)行，在很大程度上取決于螺距的設(shè)置[5]。當(dāng)Q和D一定時(shí)，糧食運(yùn)動(dòng)過(guò)程的滑動(dòng)平面隨螺距的改變而改變，使糧食分布發(fā)生變化。螺距為：

S=K1D

(2)

式中，K1為比例系數(shù)，主要受糧食在料槽里的運(yùn)動(dòng)取向、運(yùn)動(dòng)速度、物料尺寸、濕度，以及葉片的材料、表面狀態(tài)等因數(shù)的影響。當(dāng)絞龍機(jī)構(gòu)(及螺桿)水平放置時(shí)，K1=0.8～1.0;當(dāng)螺桿與水平方向呈一定角度布置或輸送物料的流動(dòng)性較差時(shí)，K1≤0.8[6]。

本文設(shè)計(jì)的履帶式翻糧機(jī)絞龍機(jī)構(gòu)是豎直放置的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取K1=0.6。將其代入式(2),可得：S=120 mm。

4 履帶式翻糧機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的履帶式翻糧機(jī)主要完成下列3個(gè)動(dòng)作：自動(dòng)行走、轉(zhuǎn)彎、糧食的上下翻倒。其總體結(jié)構(gòu)如圖6所示(為清晰展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，隱藏了密封結(jié)構(gòu)、頂蓋結(jié)構(gòu))。

1.大鏈輪；2.離合器；3.行走電機(jī)；4.軸承座；5.翻糧電機(jī)；6.小鏈輪；7.底座；8.張緊輪；9.履帶；10.絞龍機(jī)構(gòu)；11.支撐輪；12.導(dǎo)向輪；13.驅(qū)動(dòng)輪圖6 履帶式翻糧機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

行走電機(jī)3運(yùn)行，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶機(jī)構(gòu)行走，再通過(guò)離合器的開(kāi)合來(lái)控制兩個(gè)行走電機(jī)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)翻糧機(jī)在糧面上的直行或者轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。翻糧電機(jī)5帶動(dòng)絞龍10旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)糧食的上下翻倒，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走同時(shí)翻糧的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了提高倉(cāng)儲(chǔ)單位大規(guī)模翻糧的效率，降低工人的作業(yè)強(qiáng)度，本文基于Solidworks三維建模軟件設(shè)計(jì)了一種履帶式翻糧機(jī)。它主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、翻糧機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻糧的目的，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

該翻糧機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用鏈傳動(dòng)方式，在兩驅(qū)動(dòng)軸之間安裝電磁離合器，使翻糧機(jī)不僅可以直線行走，還可以自動(dòng)平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎；采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了密封機(jī)構(gòu)，使翻糧機(jī)主體形成密封區(qū)，避免了糧粒進(jìn)入嚙合區(qū)；翻糧機(jī)構(gòu)采用絞龍機(jī)構(gòu)，其螺旋直徑取200 mm，螺距取120 mm。